Riassunto analitico
La continua ricerca tecnologica nel settore delle macchine da costruzione e la crescente necessità di ridurre le emissioni, manifestate dalla maggior parte dei paesi del mondo, hanno incrementato l’esigenza di rendere più efficienti e moderni i motori termici, oppure investigare soluzioni alternative. Sono in particolare prominenti la ricerca di nuovi combustibili e la spinta verso l’elettrificazione.
Nell’ambito delle macchine da costruzione, i veicoli che si prestano a questa tipologia di innovazione sono in particolare quelli di piccola-media taglia, a questa categoria appartengono le pale gommate compatte (Compact Wheel Loader - CWL). Esse eccellono in applicazioni dove sono richiesti ingombri ridotti, basse emissioni sonore e inquinanti. Tali macchine sono infatti adatte anche al lavoro in ambienti chiusi. I settori principali dove trovano applicazione sono: magazzini fornitura, ristrutturazione di edifici su larga scala ed edilizia in generale.
Negli ultimi 3 anni si è assistito ad uno slancio notevole nella ricerca di soluzioni per consentire l’elettrificazione di tale tipologia di veicoli. Tuttavia, la sostituzione dei motori termici è ancora agli inizi e le pale gommate compatte elettrificate rappresentano ancora meno dell’1% del totale di quelle vendute sul mercato. Secondo l’istituto di ricerca Interact Analysis, però, entro la prima metà degli anni 2030, il 10-15% di tale tipologia di veicoli saranno elettrificati oppure ibridi. Il settore descritto sarà, dunque, interessato da una forte crescita nei prossimi anni.
L’attività della presente tesi, svolta presso CNH Industrial per il dipartimento Design Analysis & Simulation nel team di Model Based Development, si è prefissa come scopo quello di realizzare due differenti tipologie di modelli del sistema completo di un Compact Wheel Loader di nuova generazione, entrambi contenenti tutti i sottosistemi della macchina, tra cui: l’Idraulica di alta pressione, la trasmissione, un modello semplificato dell’architettura elettrica, un modello di logica di controllo che simuli l’azionamento del sistema da parte dell’operatore e la logica che garantisca l’attuazione dei motori elettrici. Entrambi i modelli sono stati realizzati con tecnica 0D-1D su diverse piattaforme di calcolo.
Il primo modello, realizzato utilizzando il software Siemens Simcenter AMESim ® è della tipologia High-Fidelity, tiene cioè conto in maniera precisa della maggior parte delle caratteristiche fisiche e multi-dominio di tutti i sottosistemi del veicolo. Lo scopo per cui è stato realizzato questo modello è quello di effettuare una analisi legata alle performance del sistema e stabilire se l’architettura elettrificata possa garantire le medesime prestazioni di una macchina termica. L’analisi è stata effettuata in termini di efficienza e produttività in varie condizioni di funzionamento che modificano le modalità di lavoro del veicolo ed il suo consumo energetico. Questo primo modello richiede uno sforzo modellistico importante per potersi interfacciare con le reali logiche di controllo, data la natura di problemi fortemente stiff, quali l’idraulica.
Una volta stabilito che le performance del sistema sono garantite tramite il primo modello High-Fidelity, è necessario un secondo modello 0D-1D a parametri concentrati, opportunamente semplificato; quest’ultimo replica piuttosto fedelmente i risultati ottenuti dal precedente ma è in grado di effettuare simulazioni a passo fisso, con valore ottimale per l’integrazione di logiche di controllo su veicolo. Questo strumento è in grado di simulare qualsiasi manovra in tempo reale e il suo scopo principale è quello di validare software e algoritmi di controllo presenti sulle centraline reali.
Nella tesi saranno inoltre esaminate le differenze tra le caratteristiche e le applicazioni che le due differenti tipologie di modelli virtuali realizzati trovano, una volta impiegati in azienda.
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